环境温度对整车起动阻力矩的影响研究

陈亮，王臻华

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

随着汽车的普及，汽车用户对汽车性能的了解越来越全面，对整车性能的要求也越来越高。冬季，中国大部分地区最低气温在0℃以下，北方地区气温一般在-25℃左右，个别地区最低气温甚至达到-40℃左右。汽车的起动性能直接影响车辆的机动性能，特别是在寒冷地区，起动性能尤为重要。此外，汽车起动性能还与汽车的排放、燃油消耗、汽车运动件的过度磨损等息息相关。

在整车低温起动标定过程中，发动机阻力矩的输入往往根据经验值或发动机台架数据进行标定，但实际整车在某一低温状态下某款发动机的阻力矩究竟是多少并没有仔细研究过。这就容易导致标定输入数值与实际不符，在发动机起动过程中ECU接收错误的指令，造成燃油喷射过多浪费燃料，或者燃油喷射过少无法正常起动。葛胜迅等的发动机阻力矩测试方法研究中明确了底盘测功机测量整车发动机阻力矩的优势，但没有对发动机阻力矩做深入研究。发动机着火后松开离合器要进入暖机状态，首先需要克服变速器输入轴的阻力矩冲击并带动其转动，低温导致变速器齿轮油流动性变差搅动阻力变大，尤其重型卡车变速器齿轮大、油量大，低温下变速器输入轴的阻力矩更大，松开离合器后更易导致刚着火的发动机受到阻力矩冲击自行熄火，无法正常进入暖机状态。目前各主机厂对变速器输入轴阻力矩对发动机起动性能的影响研究不足，基于整车开展的相关测试寥寥无几。

车辆暖机结束后汽车起步过程中需要克服底盘系统的阻力，尤其在寒冷的冬季由于冰雪的原因，底盘系统的阻力会更大。底盘阻力矩输入不准确也会导致发动机在起步标定时无法与变速器完美配合，起步时发动机输出扭矩过大会导致冲击感太强，输出扭矩过小会导致起步失败或熄火，都会给客户带来不好的驾驶体验。

本文通过测试某款MPV车型在不同温度下的发动机内部阻力、变速器输入轴阻力和底盘系统阻力，来研究整车起动阻力矩随温度的变化趋势，为整车发动机和变速器的标定以及降低发动机和底盘系统阻力的研究奠定基础。

2 试验原理

试验车辆固定在底盘测功机上，将底盘测功机设定为恒速模式拖动轮胎转动，分别测量整车在带挡状态下离合器连接和离合器断开状态时车辆驱动轮轮胎与毂面相切处的力F与速度V，如图1所示。

图1 底盘测功机测试示意图

两种状态下测得 的 力F和F，根据公式（1）计算出对应的发动机阻力矩T，发动机转速与车速的换算见公式（2）。

式中：T——发动机阻力矩，Nm；η——传动效率；F——离合连接状态的轮边力，N；F——离合器断开状态的轮边力，N；r——轮胎滚动半径，m；i——变速器挡位速比；i——主减速器速比。

式中：V——车速，km/h；n——发动机转速，r/min。

变速器输入轴阻力的测量同样将底盘测功机设定为恒速模式拖动轮胎转动，测量踩离合状态下带挡和不带挡状态时的车辆驱动轮轮胎与毂面相切处的力F与速度V，两种状态下测得的力F和F，根据公式（3）计算出对应的变速器输入轴阻力矩T，根据公式（4）计算底盘阻力矩T。

式中：F——带挡状态的轮边力，N；F——不带挡状态的轮边力，N。

3 试验方法

3.1 试验前准备

试验前试验样车需更换-30℃或以下温度使用的发动机机油、变速器齿轮油和防冻液，并布置油温和冷却液温传感器，实时监测油温和冷却液温度。为保持试验条件的一致性，减少不必要的因素对测试结果的影响，常温和低温测试时车辆状态保持一致。

3.2 试验环境温度

为节省能源、提高效率，试验温度分常温和低温设定，在常温下验证测试方法有效后再开展低温测试，设定温度为：常温20℃，低温-25℃、-30℃。

3.3 试验步骤

3.3.1 发动机阻力矩试验

将测试车辆按要求固定在带有环境仓的转毂上，整车断电并连接好数据采集器，如图2所示。

图2 试验车辆照片

将环境仓温度设置为20℃，待车辆浸置至整车温度与环境温度一致后开始试验。调整底盘测功机数据采集频率并设定为恒速模式，将试验车辆变速器挡位置于Ⅰ挡，依次输入发动机转速区间为0～800r/min、步长为50r/min对应的车速，测量对应车速下离合器断开和离合器连接的轮边力，每种状态每个速度点测量两次，取平均值代入公式（1）计算发动机阻力矩。

其余两个低温温度点发动机阻力矩的测量，将环境仓温度设置为对应的测试温度，待车辆浸置至与环境温度一致后，按照同样的步骤进行。

3.3.2 变速器输入轴阻力矩试验

在某一试验环境温度下，待发动机阻力矩试验结束后对试验车辆继续浸置，待整车温度与环境温度一致后开始试验。底盘测功机设定为恒速模式，使试验车辆的离合器处于断开状态，依次输入区间为5～35km/h、步长为5km/h的车速，测量Ⅰ挡和空挡时各车速点的轮边力，每种状态每个速度点测量两次，取平均值代入公式（3）计算变速器输入轴阻力矩。其余两个低温温度点底盘阻力矩的测量，将环境仓温度设置为对应的测试温度，待车辆浸置至与环境温度一致后，按照同样的步骤进行。

各测温点下测试变速器输入轴阻力矩时，离合器断开状态空挡时，各速度点测得的轮边力的平均值代入公式（4）计算底盘阻力矩。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 发动机阻力矩

对某公司生产的某款MPV车型测试结果进行分析，发动机阻力矩测试结果如表1所示。

表1 发动机阻力矩测试结果

发动机转速200r/min以下对应的速度点测试时，车辆抖动较严重，车轮与底盘测功机毂面易产生滑移导致数据失真，故剔除该段数据。从试验结果可以看出，常温时发动机阻力矩基本随着发动机转速的增加而增大。低温时发动机阻力矩随着发动机转速的增加先增大后减小，并且温度越低最大阻力矩的转速点越低，发动机起动阻力主要来源于内部摩擦阻力，这一结果跟发动机自身结构及材料的热胀冷缩特性相对应。随着温度的降低，发动机平均阻力矩的变化趋势如图3所示，-25℃以上发动机阻力矩随着温度的降低逐渐增加，平均增加幅度为0.73Nm/℃，但-25℃以下随着温度的降低几乎呈直线上升，增加幅度为5.92Nm/℃。

图3 发动机平均阻力矩曲线图

3.4.2 变速器输入轴阻力矩

变速器输入轴的测试结果如表2所示。

表2 变速器输入轴阻力矩测试结果

从试验数据可以看出，20℃和-25℃在同一环境温度下，各速度点变速器输入轴的阻力矩差异不大，-30℃时差异比较明显，随着车速的增加呈逐渐减小的趋势。变速器输入轴的阻力主要来源于输入轴搅动齿轮油的阻力，这一测试结果与齿轮油的低温流动性相对应。随着温度的降低，变速器输入轴阻力矩的变化趋势如图4所示，-25℃以上变速器输入轴阻力矩随着温度的降低逐渐增加，平均增加幅度为0.027Nm/℃，但-25℃以下随着温度的降低几乎呈直线上升，增加幅度为1.22Nm/℃。

图4 变速器输入轴平均阻力矩曲线图

底盘阻力主要来源于变速器输出轴和主减速器搅动齿轮油的阻力，跟齿轮油的低温流动性相关，底盘阻力矩特性与变速器输入轴基本一致，在变速器输入轴阻力矩的测试过程中已测出，这里就不再详细赘述。

3.5 试验时注意事项

试验过程中为避免由于各速度点长时间拖动使发动机和变速器油温升高，对试验结果造成影响，试验时采用高频率采集、短时间测试的方法进行，采集频率10Hz，测试时长3s。测试过程中时刻监测记录油温数据，油温若超出要求范围，应停止试验浸置车辆，待油温满足要求后再开展试验。

4 结束语

本文概述了影响发动机起动性能的两个主要阻力因素（发动机内部阻力和变速器输入轴阻力力矩）的试验原理和计算方法，并对试验方法和试验步骤做了介绍。基于整车的相关阻力矩测试可以借鉴进行，测得的数据对于整车发动机和变速器标定数据的输入有极大的帮助。

本文通过实车试验数据分析得出发动机阻力矩和变速器输入轴阻力矩随温度的变化趋势，并叙述了造成各自变化趋势的主要原因，为降低低温环境下发动机阻力矩和变速器输入轴阻力矩提供了参考依据。